CN103868260B - 太阳能集热器的薄膜成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明有关于一种太阳能集热器的薄膜成型方法，为了在太阳能集热器上成型具有高吸收率及低放射率的太阳能选择式吸收薄膜。本发明包括有下列步骤：A、粗糙化金属基板导热层；B、成型硅薄膜吸收层；C、成型氮化铝抗反射层。前述粗糙化金属基板导热层可有效将入射太阳光导入并减少反射量，粗造化的表面亦可增加与前述硅薄膜吸收层的接合力，有效减少薄膜劈裂现象，而前述氮化铝抗反射层可以增加太阳热能吸收率、减少放射率，且氮化铝的热膨胀数与硅相接近，在高温操作下将可有效减少前述硅薄膜吸收层及氮化铝抗反射层之间的热应力。

Description

太阳能集热器的薄膜成型方法

技术领域

本发明有关于一种太阳能集热器的薄膜成型方法，特别是指一种太阳能选择性吸收薄膜的成型制造方法。

背景技术

一般常见的太阳能利用分为两种形式，有直接利用光伏效应将太阳光转换成电的PV（photovoltaic）系统，另外一种为利用集光原理将太阳的热能吸收，利用热能转换成电能的方式来发电的集光太阳热能发电形式(concentrating，csp)。其中PV 统的开发已经相当成熟，主要是太阳能电池相关产业，而CSP技术相较之下，还正在开发当中。

CSP统主要分为三个部份：太阳热能收集场(solarfield)、热储存槽(thermal storage)及朗肯发电循环(Rankine cycle)。太阳热能收集场主要是利用具有集光功能的收集器（collector）将太阳光聚焦至位于焦点上的太阳能集热器(heat collectorelement,HCE)，加热热传递流体(heat transfer fluid,HTF)收集并传递太阳热能。CSP太阳热能发电统是利用集光器将太阳光收集并聚焦至接收器(receiver)，对其中的热传递流体持续加热，经过热交换器进行热交换将水加热成为水蒸气来带动蒸气涡轮机进行发电。

另外，太阳能选择性吸收薄膜是涂布在太阳能集热器上的一层薄膜，它对太阳的辐射能具良好吸收，同时只有少量的红外线热辐射。而针对CSP统而言，其工作温度可高达500℃以上，因此为了达到可实施性及市场需求，太阳能选择性吸收薄膜用于CSP统必须具有几个特点：1、低成本，2、可量产，3、在空气中具有好的化学稳定性及热稳定性（T＞500℃，4、吸收率α≥0.98，热红外线放射率（thermal emittance）ε≤0.05at500℃。

发明内容

为了制作符合上述需求的太阳能选择性吸收薄膜，本发明提出一种太阳能集热器的薄膜成型方法。

本发明的解决方案是：

一种太阳能集热器的薄膜成型方法，包括下列步骤： A、粗糙化金属基板导热层：在一金属基板导热层的表面形成多数微孔的微纳米结构； B、成型硅薄膜吸收层：在前述金属基板导热层的表面成长一硅薄膜吸收层，且该硅薄膜吸收层的厚度介于1微米至3微米之间； C、成型氮化铝抗反射层：在前述硅薄膜吸收层上成长一氮化铝抗反射层，且该氮化铝抗反射层的厚度介于100纳米至1微米之间。

进一步，在步骤A中，微孔呈倒金字塔型。

进一步，在步骤A中，在形成微纳米结构后，对该金属基板导热层的表面执行雷射表面处理，形成一表面氧化层。

进一步，前述雷射表面处理包含有设计图案单体尺寸、几何图案排列及控制表面氧化程度。

进一步，在步骤B中，硅薄膜吸收层使用增强式电浆化学气相沉积法沉积而成。

进一步，前述以增强式电浆化学气相沉积法沉积硅薄膜吸收层以硅烷及氨气混合形成电浆环境，且硅烷以93%至97%体积百分比的氮气及3%至7%体积百分比的纯硅烷混合稀释。

进一步，在步骤C中，前述氮化铝抗反射层使用射频磁控溅镀法成长而成。

进一步，前述射频磁控溅镀法成长氮化铝抗反射层包括下列步骤： C1、将成长有前述硅薄膜吸收层的金属基板导热层于清洗过后置入溅镀室内，并以真空泵开始初抽至1×10^-3托耳以下；

C2、初抽完成后，再以分子帮浦细抽至6×10^-6托耳以下；

C3、在溅镀室内通入氩气并使电浆点燃，并预溅镀20分钟，以去除溅镀靶材表面上沈积的化合物或杂质；

C4、通入氮气作为反应性气体，以沉积长成前述氮化铝抗反射层。

采用上述方法后，本发明的功效在于：

1、在金属基板导热层的表面形成多数微孔的微纳米结构可以有效将入射太阳光导入并减少其反射量，前述微纳米结构亦可增加与硅薄膜吸收层的接合力而有效减少薄膜劈裂现象。

2、雷射表面处理形成的表面氧化层可以提升热吸收率。

3、前述氮化铝抗反射层可以增加太阳热能吸收率、减少放射率，且氮化铝的热膨胀数与硅相接近，在高温操作下将可有效减少前述硅薄膜吸收层及氮化铝抗反射层之间的热应力。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明金属基板导热层表面呈倒金字塔型微孔的微纳米结构示意图；

图3为本发明方法在金属基板导热层表面成型薄膜的构造示意图。

【主要组件符号说明】

1 金属基板导热层 11 微孔

2 表面氧化层 3 硅薄膜吸收层

4 氮化铝抗反射层。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。综合上述技术特征，本发明太阳能集热器的薄膜成型方法的主要功效将可于下述实施例清楚呈现。

请参阅图1所示，本发明方法包括有下列步骤：A、粗糙化金属基板导热层；B、成型硅薄膜吸收层；C、成型氮化铝抗反射层。

再参阅图2及图3所示，步骤A在一金属基板导热层1的表面形成多数微孔11的微纳米结构，该金属基板导热层1可使用但不限于铜或不锈钢等材质，而前述微孔11成型方法例如采用下述方式：

1、单一方向共晶合金凝固，可形成一个多孔隙，棒状，或片状形貌，取决于共晶类型和凝固参数（例如，Al₃Ni纤维铝基从铝镍共晶，Mg₂Ca及镁与镁钙共晶，镍，铬TaC的共晶，镍，钽，铬锰合金）。

2、使用Ｘ射线作为光源的黄光微影制程，搭配使用光罩与对Ｘ射线敏感的光阻剂进行理想的表面微结构复制。

3、离子交换反应，于金属与等温之间的两种不同功函数的金属发生的转换，当中的功函数差异（ΔEw）约大于0.2电子伏特（例如，铜镍合金）。

4、气液固（VLS）机制，从液态合金与基板界面区上控制生长晶须（如硅、锗，Ⅲ-Ⅴ族的晶须）。

5、气相沉积，凝结的金属或化合物的气相化学气相沉积或物理气相沉积（如镍氧化铝，镍）。

6、在高温下氧化的金属，对金属的氧化过程中氧气在空气中或在高温（400℃－850℃）生长的晶须（如氧化铁、铁、钢、氧化铜、铜、磷青铜；氧化锌、锌、铜、钨；镍、钼）。

前述金属基板导热层1上的微孔11可以有效将入射太阳光导入并减少其反射量，并且亦可增加与后述的硅薄膜吸收层3的接合力而有效减少薄膜劈裂现象。

本实施例中，前述微孔11可以成型为倒金字塔型，而在形成前述微纳米结构后，对该金属基板导热层1的表面执行雷射表面处理，形成一表面氧化层2。前述雷射表面处理包含有设计图案单体尺寸、几何图案排列及控制表面氧化程度的步骤。其中前述图案单体尺寸与几何图案排列可具有光局限效应与表面二次粗糙化的效果，而控制表面氧化程度则在于氧化物颜色越深有较佳的光吸收效果，因此控制表面氧化程度使前述表面氧化层2氧化趋黑，借此提高光吸收效率。

参阅图3，步骤Ｂ在前述金属基板导热层1的表面利用增强式电浆化学气相沉积法（PECVD）沉积一硅薄膜吸收层3，本实施例该硅薄膜吸收层3沉积在该表面氧化层2上，且该硅薄膜吸收层3的厚度介于1微米至3微米之间，并且以硅烷及氨气混合形成电浆环境，且硅烷以93%至97%体积百分比的氮气及3%至7%体积百分比的纯硅烷混合稀释。实际步骤如下：

B1、于清洗完成的金属基板导热层1表面，亦即在该表面氧化层2上旋涂一层厚度少于100nm并可与硅材产生低温共晶的纳米金属粒子，如金或铝及其合金。

B2、使用电浆辅助式化学气相沉积(PECVD)沉积一厚度100nm的非晶硅薄膜在此一含纳米金属粒子的金属基板导热层1的表面氧化层2上。电浆辅助式化学气相沉积（PECVD）的制程参数为：功率100W，腔体压力10^-3 托耳，基板温度300℃，气体流量600sccm(SiH₄)，其沉积速率约每分钟770Å。

B3、以介于500℃至600℃的温度进行第一阶段的退火过程，使得该非晶硅薄膜形成多晶硅薄膜。过程中，借由该纳米金属粒子具有极高表面积及高催化能力来达到较低温度下诱发非晶硅薄膜。由于纳米金属粒子与硅材产生低温共晶的金属，因此在整个加热过程当中，这些纳米金属粒子会逐渐与非晶硅形成交换(exchange)的反应机制，即是非晶硅在与纳米金属粒子的界面上开始形成多晶硅的结构，而这些纳米金属粒子会逐渐往上析出在已形成多晶硅薄膜的表面上。随着加热（亦即退火）温度的增加，多晶硅薄膜的结晶特性也会增强。

B4、蚀刻去除析出于已成长的多晶硅薄膜表面上的纳米金属粒子层。举例来说，若以纳米金（Au）粒子作为诱发金属，则可以使用磷酸将纳米金（Au）粒子蚀刻出来。因此，此多晶硅薄膜即可作为后续催化非晶硅薄膜的晶种层。

B5、再沉积一厚度介于1至5微米的非晶硅薄膜于前述多晶硅薄膜上。

B6、进行第二次退火，使上层的非晶硅薄膜形成多晶硅薄膜，构成所述的硅薄膜吸收层3。而由于前述多晶硅薄膜可作为后续沉积于上层的非晶硅薄膜的晶种层，因此在第二次退火加热的温度可以有效地降低，一般第二阶段的较佳退火温度介于200℃至500℃。

相同的参阅图3，步骤Ｃ在前述硅薄膜吸收层3上成长一氮化铝抗反射层4，且该氮化铝抗反射层4的厚度介于100纳米至１微米之间。

前述氮化铝抗反射层4使用射频磁控溅镀法成长而成，并包括下列步骤：

C1、将成长有前述硅薄膜吸收层3的金属基板导热层1于清洗过后置入溅镀室内，并以真空泵开始初抽至1×10^-3托耳以下。

C2、初抽完成后，再以分子帮浦细抽至6×10^-6托耳以下。

C3、在溅镀室内通入氩气并使电浆点燃，并预溅镀20分钟，以去除溅镀靶材表面上沈积的化合物或杂质。

C4、通入氮气作为反应性气体，以沉积长成前述氮化铝抗反射层4。

前述氮化铝抗反射层4可以增加太阳热能吸收率、减少放射率，且氮化铝的热膨胀数与硅相接近，在高温操作下将可有效减少前述硅薄膜吸收层3及氮化铝抗反射层4之间的热应力。

综合上述实施例的说明，当可充分了解本发明的操作、使用及本发明产生的功效，惟以上所述实施例仅为本发明的较佳实施例，当不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及发明说明内容所作简单的等效变化与修饰，皆属本发明涵盖的范围内。

Claims (6)

1.一种太阳能集热器的薄膜成型方法，其特征在于，包括下列步骤：

A、粗糙化金属基板导热层：在一金属基板导热层的表面形成多数微孔的微纳米结构； B、成型硅薄膜吸收层：在前述金属基板导热层的表面成长一硅薄膜吸收层，且该硅薄膜吸收层的厚度介于1微米至3微米之间，硅薄膜吸收层使用增强式电浆化学气相沉积法沉积而成，前述以增强式电浆化学气相沉积法沉积硅薄膜吸收层以硅烷及氨气混合形成电浆环境，且硅烷以93%至97%体积百分比的氮气及3%至7%体积百分比的纯硅烷混合稀释；

C、成型氮化铝抗反射层：在前述硅薄膜吸收层上成长一氮化铝抗反射层，且该氮化铝抗反射层的厚度介于100纳米至1微米之间。

2.如权利要求1所述的太阳能集热器的薄膜成型方法，其特征在于：在步骤Ａ中，微孔呈倒金字塔型。

3.如权利要求1所述的太阳能集热器的薄膜成型方法，其特征在于：在步骤A中，在形成微纳米结构后，对该金属基板导热层的表面执行雷射表面处理，形成一表面氧化层。

4.如权利要求3所述的太阳能集热器的薄膜成型方法，其特征在于：前述雷射表面处理包含有设计图案单体尺寸、几何图案排列及控制表面氧化程度。

5.如权利要求１所述的太阳能集热器的薄膜成型方法，其特征在于：在步骤Ｃ中，前述氮化铝抗反射层使用射频磁控溅镀法成长而成。

6.如权利要求5所述的太阳能集热器的薄膜成型方法，其特征在于：前述射频磁控溅镀法成长氮化铝抗反射层包括下列步骤： C1、将成长有前述硅薄膜吸收层的金属基板导热层于清洗过后置入溅镀室内，并以真空泵开始初抽至1×10^-3托耳以下；

C2、初抽完成后，再以分子帮浦细抽至6×10^-6托耳以下；

C3、在溅镀室内通入氩气并使电浆点燃，并预溅镀20分钟，以去除溅镀靶材表面上沈积的化合物或杂质；

C4、通入氮气作为反应性气体，以沉积长成前述氮化铝抗反射层。